(57)【要約】【課題】純度および安定性の高い高機能のナノカーボンを低コストで効率よく量産することを課題とする。【解決手段】熱分解ガス化装置１と、該熱分解ガス化装置と第１の配管を介して接続するナノカーボン生成炉３と、該ナノカーボン生成炉と第２の配管を介して接続する排ガス処理装置４と、ナノカーボン回収缶と、熱分解ガス化装置と排ガス処理装置を接続するバイパス配管６とを具備し、ナノカーボン生成炉は、生成炉本体と、該生成炉本体内に配置された板状の金属触媒２２と、該金属触媒表面に生成されたナノカーボンを掻き落とす掻き落とし棒２３とを備え、第１の配管は、ナノカーボン生成中に炭素含有化合物ガスを熱分解ガス化装置からナノカーボン生成炉側に供給するために使用され、バイパス配管は、ナノカーボンの掻き落とし中に炭素含有化合物ガスを熱分解ガス化装置から排ガス処理装置側へ供給するために使用されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元雰囲気状態に保持した生成炉内部に板状の金属触媒を配置し、その表面に炭素含有化合物ガスを接触させて化学気相成長法によりナノカーボンを生成するナノカーボン製造装置において、
炭素源材料をガス化する熱分解ガス化装置と、このガス化装置と第１の配管を介して接続するナノカーボン生成炉と、このナノカーボン生成炉と第２の配管を介して接続する排ガス処理装置と、前記ナノカーボン生成炉と接続するナノカーボン回収缶と、熱分解ガス化装置と排ガス処理装置を接続するバイパス配管とを具備し、
前記ナノカーボン生成炉は、生成炉本体と、この生成炉本体内に配置された板状の金属触媒と、この金属触媒表面に生成されたナノカーボンを掻き落とす掻き落とし棒とを備え、
前記第１の配管は、ナノカーボン生成中に炭素含有化合物ガスを熱分解ガス化装置からナノカーボン生成炉側に供給するために使用され、
前記バイパス配管は、生成したナノカーボンの掻き落とし中に炭素含有化合物ガスを熱分解ガス化装置から排ガス処理装置側へ供給するために使用される
ことを特徴とするナノカーボン製造装置。
【請求項２】
前記生成炉本体及び金属触媒は円筒形状であり、この金属触媒に掻き落とし棒が押し当てられていることを特徴とする請求項１記載のナノカーボン製造装置。
【請求項３】
板状の金属触媒は、鉄、ニッケル、及び鉄とニッケルを含む合金鋼のいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１または２記載のナノカーボン製造装置。
【請求項４】
第１の配管を利用した炭素含有化合物ガスの供給によるナノカーボンの生成と、バイパス配管を利用したナノカーボンの掻き落としを繰り返すことにより、ナノカーボンが生成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のナノカーボン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノコイル、カーボンナノホーン、フラーレンなど有用性の高い繊維状のナノカーボンを効率的に製造するナノカーボン製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノカーボンの生成法には、アーク放電法、レーザー蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）などが挙げられる。  
アーク放電法は、グラファイトからなる陽極，陰極の先端同士を対向させ、これらの間でアーク放電を起こすことにより、炭素蒸気と非磁性遷移金属元素の微粒子を発生させ、陰極の基端部にカーボンナノチューブを発生させる方法である。レーザー蒸着法は、高温に過熱した不活性ガス中に金属触媒を混合したグラファイト試料を入れ、レーザー照射することによりナノカーボンを生成する方法である。  
一般に、上記アーク放電法やレーザー蒸発法では結晶性の良いナノカーボンが生成できるが、生成するナノカーボンの量が少なく大量生成に難しいと言われている。
【０００３】
ＣＶＤ法には、反応管内にモリブデン金属またはモリブデン金属含有物からなる触媒上で炭化水素を高温で分解して触媒上に超微細カーボンチューブを堆積させる気相成長基板法と、触媒金属と炭素原料を一緒に高温の流動層中で反応させて繊維状ナノ炭素を生成する流動気相法の二つの方法がある。
【０００４】
しかし、上記気相成長基板法は、バッチ処理であるので大量生産が難しい。また、流動気相法は、温度の均一性が低く結晶性の良いナノカーボンを生成するのが難しいとされている。さらに、流動気相法の発展型として、高温の炉の中に、触媒兼用流動材で流動層を形成し、炭素原料を供給して繊維状のナノカーボンを生成する方法も提案されている。しかし、炉内の温度の均一性が低く結晶性の良いナノカーボンを生成するのが難しいと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−９５５０９号公報
【特許文献２】特開平１０−２７３３０８号公報
【特許文献３】特開２０００−８６２１７号公報
【特許文献４】特開２００３−３４２８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実施形態の目的は、純度および安定性の高い高機能のナノカーボンを低コストで効率よく量産することができるナノカーボン製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、純度及び安定性の高いナノカーボンを低コストで効率よく量産することができるようになれば、ナノカーボンの特性を生かしたナノテクノロジー製品を低コストで大量に供給することが可能になるので、研究を重ねた結果、本発明を究明するに至った。  
実施形態によれば、還元雰囲気状態に保持した生成炉内部に板状の金属触媒を配置し、その表面に炭化水素ガスを接触させて化学気相成長法によりナノカーボンを生成するナノカーボン製造装置において、炭素源材料をガス化する熱分解ガス化装置と、このガス化装置と第１の配管を介して接続するナノカーボン生成炉と、このナノカーボン生成炉と第２の配管を介して接続する排ガス処理装置と、前記ナノカーボン生成炉と接続するナノカーボン回収缶と、熱分解ガス化装置と排ガス処理装置を接続するバイパス配管とを具備し、前記ナノカーボン生成炉は、生成炉本体と、この生成炉本体内に配置された板状の金属触媒と、この金属触媒表面に生成されたナノカーボンを掻き落とす掻き落とし棒とを備え、前記第１の配管は、ナノカーボン生成中に炭化水素ガスを熱分解ガス化装置からナノカーボン生成炉側に供給するために使用され、前記バイパス配管は、生成したナノカーボンの掻き落とし中に炭化水素ガスを熱分解ガス化装置から排ガス処理装置側へ供給するために使用されることを特徴とするナノカーボン製造装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るナノカーボン製造装置の概略的な説明図。
【図２】図１のナノカーボン製造装置を具体的に示す説明図。
【図３】図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図。
【図４】図１のナノカーボン製造装置の一構成である円筒容器において生成したナノカーボンを掻取り棒で掻き落としている状態の説明図。
【図５】図１のナノカーボン製造装置の一構成である円筒容器において生成したナノカーボンを掻取り棒で掻き落とした後の状態の説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、実施形態に係るナノカーボン製造装置について詳細に説明する。  
本実施形態において、熱分解ガス化装置の回転ドラム内は、投入される炭素源材料に応じて４００〜８５０℃の範囲の熱分解ガス化温度に設定される。前記温度範囲は、回転ドラム内で炭素源材料をガス化するために必要である。  
本実施形態において、ナノカーボン生成炉の生成炉本体内に配置される金属触媒の材料としては、鉄、ニッケル、あるいは鉄とニッケルを含む合金鋼が挙げられるが、より好ましいのは鉄である。生成炉本体内は炭素源材料と金属触媒の材料に応じて５００〜１０００℃の範囲の適宜な温度に設定されるが、金属触媒の材料が鉄の場合、ナノカーボン生成温度は６５０℃前後が大きさ、長さが揃ったナノカーボンがより多く生成できる。
【００１０】
本実施形態において、ナノカーボンとは、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、カーボンナノコイル、カーボンナノホーン、フラーレン等を意味する。
【００１１】
前記金属触媒には、掻き落し棒が金属触媒の内面を柔らかく押し付けるように当接される。このように掻き落し棒を金属触媒に当接させるのは、掻き落し棒が金属触媒表面に疵をつけずに金属触媒表面に生成されたナノカーボンのみを掻き落とすためである。金属触媒は、生成炉本体が円筒体の場合、掻き落し棒は、弾力性のある板状部材等を介して回転軸により回転可能に支持される。
【００１２】
本実施形態では、熱分解ガス化装置とナノカーボン生成炉と排ガス処理装置を結ぶ本ラインと、熱分解ガス化装置と排ガス処理装置を結ぶバイパスラインが設けられている。そして、ナノカーボン生成時には、本ラインを用いて熱分解ガス化装置で生じた熱分解ガス（炭化水素ガス）をナノカーボン生成炉に供給して、ナノカーボン生成炉で反応ガスに変化させ、この反応ガスを金属触媒と接触させて気相成長法により金属触媒表面にナノカーボンを生成させている。一方、成長したナノカーボンの掻き取り時には、本ラインからバイパスラインに切り替えて運転し、金属触媒表面に成長したナノカーボンの掻き取りを行う。本実施形態では、本ラインによる運転とバイパスラインによる運転を繰り返すことにより、高純度のナノカーボンを効率よく生成できる。
【００１３】
次に、本実施形態に係るナノカーボン製造装置について説明する。  
（実施形態）  
図１〜図５を参照する。ここで、図１は本発明の実施形態に係るナノカーボン製造装置の概略的な構成図であり、図２は図１の製造装置を具体的に示す説明図、図３〜図５は夫々図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。  
本実施形態のナノカーボン製造装置は、炭素源材料をガス化する間接加熱キルン型の熱分解ガス化装置１と、この熱分解ガス化装置１と第１の配管２ａを介して接続するナノカーボン生成炉３と、このナノカーボン生成炉３と第２の配管２ｂを介して接続する排ガス処理装置４と、ナノカーボン生成炉３と第３の配管２ｃを介して接続するナノカーボン回収缶５と、第１の配管２ａから分岐して熱分解ガス化装置１と排ガス処理装置５間を接続するバイパス配管６と、前記排ガス処理装置４に接続する集塵装置７と、排気ブロワ８とを備えている。第１の配管２ａ，第２の配管２ｂ，第３の配管２ｃ及びバイパス配管６には、夫々仕切弁９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが介装されている。
【００１４】
前記熱分解ガス化装置１は、図２に示すように、外気と遮断された横型の回転ドラム１１と、この回転ドラム１１にバイオマス，化石燃料（エタノールなど）等の炭素源材料を投入するための投入ホッパー１２と、回転ドラム１１内に配置されて炭素源材料を搬送するための搬送手段（図示せず）と、回転ドラム１１の外周部に配置されて回転ドラム１１を間接的に加熱するヒータ１３と、回転ドラム１１の熱分解ガス排出口側に配置された出口フード１４を備えている。回転ドラム１１内の温度は、ヒータ１３により４００〜８５０℃の範囲で炭素源材料に応じて設定される。回転ドラム１１とこの回転ドラム１１を支持する回転筒１０は回転シール１５ａによりシールされ、出口フード１４と回転ドラム１１は回転シール１５ｂによりシールされている。出口フード１４の上部には熱分解ガス２７を排出するためのガス排出口１６が設けられ、下部には炭化物２８を排出するための炭化物排出口１７が設けられている。炭化物排出口１７には、炭化物回収缶１８が接続されている。
【００１５】
前記ナノカーボン生成炉３の内部は、還元雰囲気に保持される。ナノカーボン生成炉３は、外気と遮断された円筒体（生成炉本体）２１と、この円筒体２１の内側に配置された円筒形状の鉄製の金属触媒２２と、この金属触媒２２の内面を押し付けるように配置された掻き落し棒２３と、この掻き落し棒２３と弾力性を有する板状部材２４（図３参照）を介して接続する回転軸２５と、円筒体２１の外周部に配置されたヒータ２６とを備えている。掻き落し棒２３は、板状部材２４を介して回転軸２５により回転可能なように支持され、金属触媒２２の内面を柔らかく押し付けるようになっている。ヒータ２６は、円筒体２１の軸方向に沿って複数段に配置されている。円筒体２１内の温度は、炭素源材料と金属触媒の材料に応じてヒータ２６により５００〜１０００℃の範囲に設定される。なお、図２中の符番９ｅ，９ｆは夫々配管を示す。また、符番２９は、排ガス処理装置４の出口側と熱分解ガス化装置１のヒータ部を接続する排ガスラインを示し、排ガス処理装置４からの熱は熱分解ガス化装置１で利用され、排ガス処理装置４の出口側に戻るように構成されている。更に符番３０は反応ガス、符番３１はナノカーボンを示す。
【００１６】
なお、前記ナノカーボン生成炉３において、ナノカーボン３１が円筒体２１の内側の金属触媒２２の内面に成長し付着した状態は図３に示すようになる。また、掻き落し棒２３を回転させて、金属触媒２２の内面に成長したナノカーボン３１を掻き落としている状態は、図４に示すようになっている。更に、金属触媒２２の内面に成長したナノカーボン３１を掻き落とした後は図５に示すようになっている。
【００１７】
次に、上記ナノカーボン製造装置の作用について説明する。  
まず、熱分解ガス化装置１とカーボン生成炉３を夫々ヒータ１３，２６により加熱する。熱分解ガス化装置１とカーボン生成炉３が設定温度に達したら、バイパス配管６の仕切弁９ｄを閉め、配管２ａの仕切弁９ａ、配管２ｂの仕切弁９ｂ及び配管２ｃの仕切弁９ｃを開けて本ラインによるナノカーボン生成運転を行う。この状態でガス化装置１に炭素源材料を投入して炭化物２８と熱分解ガス２７に分離する。ここで、熱分解ガス２７はカーボン生成炉３に通して反応ガス３０に変化させ、金属触媒２２と接触させて気相成長法にて金属触媒２２の表面にナノカーボン３１を生成させる。炭化物２８は、炭化物排出口１７から炭化物回収缶１８に落下させる。
【００１８】
ナノカーボン３１がある程度成長したら、バイパス配管６の仕切弁９ｄを開け、配管２ａの仕切弁９ａ及び配管２ｄの仕切弁９ｂを閉めて、バイパスラインによる運転を行う。即ち、ナノカーボン生成炉３の金属触媒２２の内面に成長したナノカーボン３１を、掻き落し棒２３を回転させることにより掻き落とす。掻き落としたナノカーボン３１は、仕切弁９ｃを経てナノカーボン回収缶５に収容する。  
上記実施形態に係るナノカーボン製造装置は、熱分解ガス化装置１とナノカーボン生成炉３と排ガス処理装置４等を備え、熱分解ガス化装置１とナノカーボン生成炉３と排ガス処理装置４とを結ぶ本ラインと、熱分解ガス化装置１と排ガス処理装置４を結ぶバイパスラインとを交互に用いることにより、ナノカーボンを効率よく生成できる。また、ナノカーボン生成炉３では、従来のように触媒に粉などを使わずに円筒形状の金属触媒２２を使用し、かつ掻き取り棒２３が金属触媒２２の内面に柔らかく当接するように設定した構成になっているので、金属触媒２２の表面を疵つけることもなく、生成したナノカーボンに触媒が混じることもない。更には、バイパスラインによるバイパス運転中にナノカーボンを掻き落とすので、掻き落とされたナノカーボンが気流に乗って排ガス処理装置側に流れるのを回避し、ほぼ全てのナノカーボンをナノカーボン回収缶５に収容することができる。従って、純度および安定性の高い高機能のナノカーボンを低コストで効率よく量産することができる。
【００１９】
具体的には、上記本実施形態では、ナノカーボン生成炉において円筒形状の金属触媒を用いた場合について述べたが、これに限らず、平坦な金属触媒を用い、この金属触媒に成長したナノカーボンの掻き取りと掻き落しを繰り返す構成であればよい。また、金属触媒の材料は上記実施例に記載したものに限らない。更に、配管の代りにダクトを用いてもよい。
【００２０】
本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２１】
１…熱分解ガス化炉、２ａ，２ｂ…配管、３…ナノカーボン生成炉、４…排ガス処理装置、６…バイパス配管、７…集塵装置、８…排気ブロワ、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ…仕切弁、１１…回転体、１２…投入ホッパー、１３，２６…ヒータ、２１…円筒体（生成炉本体）、２２…金属触媒、２３…掻き落とし棒、２４…板状部材、２５…回転軸、２７…熱分解ガス、２８…炭化物、２９…排ガスライン、３０…反応ガス、３１…ナノカーボン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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